アルツハイマー病におけるCRTC1のS-ニトロシル化は、神経活動によって誘発されるCREB依存性遺伝子発現を損なう

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アルツハイマー病 CRTC1 S-ニトロシル化 CREB 遺伝子発現

アルツハイマー病におけるCRTC1のS-ニトロシル化がCREB依存性遺伝子発現を破壊する

学術的背景

アルツハイマー病（Alzheimer’s Disease, AD）は、記憶や認知機能の徐々な喪失を特徴とする一般的な神経変性疾患です。ADの病理機構は複雑で、多様な分子および細胞プロセスが関与しており、その中でもタンパク質の異常修飾が疾患進行の鍵となる要因の一つと考えられています。S-ニトロシル化（S-nitrosylation）は一酸化窒素（NO）によって媒介されるタンパク質の翻訳後修飾であり、多くの神経変性疾患で重要な役割を果たすことが示されています。しかし、ADにおけるS-ニトロシル化の具体的な作用メカニズムはまだ完全には解明されていません。

本研究では、cAMP応答エレメント結合タンパク質（CREB）の転写共活性因子であるCRTC1（CREB-regulated transcription coactivator 1）のS-ニトロシル化がADにおいて果たす役割に焦点を当てています。正常な脳では、CRTC1はニューロン可塑性や記憶の固定に関連する遺伝子発現を調節することで重要な役割を果たします。しかし、ADの脳では、過剰なNO関連種がS-ニトロシル化修飾を通じてCRTC1の機能を破壊し、CRTC1とCREBの相互作用を妨害します。これにより、シナプス可塑性や記憶に関連する遺伝子発現パターンが乱れます。このメカニズムを明らかにすることで、本研究はAD患者のシナプス機能と記憶を保護するための潜在的な治療標的を提供しています。

論文の出典

本研究はXu Zhang、Roman Vlkolinsky、Chongyang Wuらが共同で実施しました。著者らはThe Scripps Research Instituteの神経変性疾患新薬研究センター、分子・細胞生物学部門、トランスレーショナル医学部門、およびカリフォルニア大学サンディエゴ校の神経科学部門に所属しています。論文は2025年2月27日に『PNAS』（Proceedings of the National Academy of Sciences）誌に掲載され、タイトルは「S-nitrosylation of CRTC1 in Alzheimer’s disease impairs CREB-dependent gene expression induced by neuronal activity」です。

研究フロー

1. CRTC1のS-ニトロシル化とADモデルでの表現

研究ではまず、細胞、動物、およびヒトiPS細胞（hiPSC）由来のADモデルにおいて、CRTC1のS-ニトロシル化（SNO-CRTC1形成）レベルの増加を確認しました。研究によると、SNO-CRTC1の形成はCRTC1とCREBの結合を破壊し、CRTC1/CREB経路による活動依存性遺伝子発現を抑制することがわかりました。CRISPR/Cas9技術を用いて、APPswe変異（AD関連変異）を持つhiPSC由来の大脳皮質ニューロンにおいて、CRTC1のCys216をAlaに変異させたところ、この非ニトロシル化可能なCRTC1変異体は、AD-hiPSCニューロンの欠陥（例えば短縮されたニューロン突起の長さや増加したニューロン死）を有意に改善することが示されました。

2. CRTC1 S-ニトロシル化の分子メカニズム

研究者らはさらに、CRTC1のCys216がNO関連種によるS-ニトロシル化の主要な標的であることを特定しました。部位特異的変異実験により、Cys216がCRTC1のS-ニトロシル化の重要な部位であることが確認されました。また、NOドナーSNOC（S-nitrosocysteine）がCRTC1のシナプスおよび樹状突起から核への輸送を促進することも見つかりました。この過程はカルシウムイオンとカルシニューリン（calcineurin）の活性化に依存していました。

3. S-ニトロシル化がCRTC1とCREBの相互作用に及ぼす影響

研究は、SNO-CRTC1の形成がCRTC1とCREBの相互作用を破壊し、活動依存性遺伝子発現を低下させることを示しました。免疫共沈降実験により、SNO-CRTC1は核内に蓄積するものの、CREBとの結合は増加しないことがわかりました。一方、高カリウム誘発によるニューロンの脱分極は、CRTC1とCREBの結合を有意に増加させることが示されました。

4. 非ニトロシル化CRTC1変異体のADモデルにおける保護効果

研究者らは、hiPSC由来のADニューロンにおいて、CRISPR/Cas9技術を用いて非ニトロシル化可能なCRTC1変異体（Cys216Ala）を導入しました。その結果、この変異体はADニューロンの形態的欠陥と細胞死を有意に改善しました。さらに、CREB依存性遺伝子（BDNF（脳由来神経栄養因子）、Arc（活性制御細胞骨格関連タンパク質）、Fos（即時早期遺伝子）、Egr1（早期成長反応タンパク質1）など）の発現を回復させることがわかりました。

5. 非ニトロシル化CRTC1のADマウスモデルにおける治療効果

研究では、5xFADトランスジェニックADマウスの海馬において非ニトロシル化CRTC1を過剰発現させ、その体内での治療効果を検証しました。その結果、非ニトロシル化CRTC1の発現は5xFADマウスのシナプス可塑性および長期増強（LTP）を有意に改善し、シナプスマーカーであるシナプトフィジン（synaptophysin）の発現を増加させることが示されました。

主な結果

  1. CRTC1のS-ニトロシル化はADモデルで有意に増加：バイオチンスイッチ法（biotin-switch assay）を用いて、ADマウスモデルおよびhiPSC由来のADニューロンにおいて、SNO-CRTC1のレベルが有意に上昇していることが検出されました。
  2. Cys216はCRTC1 S-ニトロシル化の主要な部位：部位特異的変異実験により、Cys216がCRTC1 S-ニトロシル化の重要な部位であることが確認され、変異後SNO-CRTC1の形成は約80%減少しました。
  3. SNO-CRTC1はCRTC1とCREBの相互作用を破壊：免疫共沈降実験により、SNO-CRTC1は核内に蓄積するものの、CREBとの結合は増加せず、CREB依存性遺伝子発現が低下することが示されました。
  4. 非ニトロシル化CRTC1変異体はADニューロンの形態と機能を改善：hiPSC由来のADニューロンにおいて、非ニトロシル化CRTC1変異体はニューロン突起の長さと細胞生存率を有意に改善し、CREB依存性遺伝子発現を回復させました。
  5. 非ニトロシル化CRTC1はADマウスモデルで保護効果を示す：5xFADマウスにおいて、非ニトロシル化CRTC1の発現はシナプス可塑性およびLTPを有意に改善し、シナプスマーカーの発現を増加させました。

結論と意義

本研究では、CRTC1のS-ニトロシル化がADの初期段階で重要な役割を果たし、CRTC1とCREBの相互作用を破壊することで、ニューロン可塑性や記憶に関連する遺伝子発現を乱すことが明らかになりました。非ニトロシル化可能なCRTC1変異体を導入することで、研究者らはADモデルにおけるニューロン欠陥とシナプス機能障害を成功裏に逆転させました。この発見は、ADの早期介入のための新しい治療標的を提供し、CRTC1のS-ニトロシル化を抑制することが有効な治療戦略になる可能性があることを示唆しています。

研究のハイライト

  1. CRTC1 S-ニトロシル化のADにおける新規メカニズムの解明：本研究は初めて、CRTC1のS-ニトロシル化がどのようにしてCRTC1とCREBの相互作用を破壊し、AD関連遺伝子発現を乱すのかを明らかにしました。
  2. 非ニトロシル化CRTC1変異体の治療的ポテンシャル：CRISPR/Cas9技術を用いて導入された非ニトロシル化CRTC1変異体は、細胞および動物モデルにおいて顕著な神経保護作用を示し、AD治療の新たな方向性を提供しました。
  3. 多モデル検証：本研究は、細胞、hiPSC由来ニューロン、トランスジェニックマウスモデルにおいてCRTC1のS-ニトロシル化を包括的に検証し、研究結論の信頼性を高めました。

その他の価値ある情報

研究では、CRTC1のS-ニトロシル化がBDNFの発現を低下させることで、シナプスの損失と認知機能の低下を引き起こす可能性があることも明らかになりました。BDNFの発現を回復させることで、非ニトロシル化CRTC1変異体はADモデルにおけるシナプス機能と認知能力を有意に改善しました。この発見は、BDNFがAD治療における潜在的な応用価値を持つことをさらに支持しています。